EMERSON 48″安全閥基本工作原理分析

徐 偉 霍青國(guó) 閆 艷

（中油龍慧自動(dòng)化工程有限公司，河北 廊坊065000）

0 引言

安全截?cái)嚅y（以下簡(jiǎn)稱安全閥）主要被用于高危、易燃易爆、有毒、有害介質(zhì)的關(guān)鍵工藝流程、關(guān)鍵設(shè)施（備）進(jìn)出口處。安全閥的主要作用是在突發(fā)和緊急情況下快速關(guān)閉（或開啟）閥門以隔離（或釋放）相關(guān)介質(zhì)，防止或減輕有害危險(xiǎn)物質(zhì)的蔓延和失控。其基本控制功能包括就地／遠(yuǎn)程開、關(guān)閥門，ESD緊急關(guān)斷等。個(gè)別閥門因工藝設(shè)計(jì)需要，還會(huì)設(shè)置PST（Partial Stroke Test，部分行程測(cè)試）功能，或配備有專用的閥門測(cè)試軟件。筆者有幸在一特大型項(xiàng)目（32．9億美元EPC項(xiàng)目）中從事投產(chǎn)技術(shù)保障工作，其中就涉及到了48″安全截?cái)嚅y（以下簡(jiǎn)稱SDV閥）的調(diào)試和故障檢修工作。因整套設(shè)備控制單元較多，本文主要分析閥門驅(qū)動(dòng)頭的工作原理，希望對(duì)從事類似工作的同行起到一定參考作用。

該閥由艾默生Bettis提供驅(qū)動(dòng)頭、Pibiviesse提供閥體組裝而成，此外還配有液壓控制單元，用于提供閥門動(dòng)作所需的外部液壓驅(qū)動(dòng)力。該液壓控制單元主要包含液壓泵、油箱、相關(guān)連鎖儀表及4套活塞式儲(chǔ)能器（活塞式儲(chǔ)油／氣鋼瓶）。整套SDV閥運(yùn)行前，在儲(chǔ)能器空瓶狀態(tài)下，必須向儲(chǔ)能器預(yù)充氮?dú)?3．5MPa，并按設(shè)備要求向液壓控制單元油箱加裝指定的驅(qū)動(dòng)液壓油（該閥使用殼牌Tellus32系列液壓油）。整套閥門設(shè)備的正常工作壓力范圍是15～17．5MPa，最大不得超過(guò)20MPa。該SDV閥采用氣液聯(lián)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)閥門開控制，當(dāng)儲(chǔ)能器的氣液壓力低于16MPa時(shí)，液壓控制單元的液壓泵自動(dòng)運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)向儲(chǔ)能器升壓，為SDV閥開閥動(dòng)作補(bǔ)充動(dòng)力源。關(guān)閥動(dòng)作由SDV閥驅(qū)動(dòng)頭的缸內(nèi)彈簧機(jī)構(gòu)完成，無(wú)需外部動(dòng)力源。若液壓控制單元故障無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能器中儲(chǔ)存的氣液壓力可供閥門正常開關(guān)3個(gè)行程。液壓控制單元還配有手動(dòng)液壓泵，以滿足應(yīng)急操作需求。

本文從SDV閥的驅(qū)動(dòng)頭油路和控制電路2部分進(jìn)行闡述，以便讀者了解這類閥門的主要工作原理。

1 SDV閥驅(qū)動(dòng)頭油路工作原理

圖1所示的是閥門處于就地操作狀態(tài)，閥門位置全關(guān)到位，且各類電磁閥未接通24VDC時(shí)的初始狀態(tài)。閥門工作原理的分析是建立在以下基礎(chǔ)之上的：閥門處于遠(yuǎn)程控制狀態(tài)，閥門位置全關(guān)到位，ESD電磁閥1．3a和1．3b正常受電、吸合動(dòng)作。

1．1 初始狀態(tài)

若外部液壓供應(yīng)正常，則液壓將從入口H1—經(jīng)過(guò)濾器2—隔離閥1．1，將液壓送至就地壓力表3、緩沖罐1．9和電磁閥1．4（開關(guān)一體電磁閥，此時(shí)開閥油路暫未導(dǎo)通）；同時(shí)來(lái)自H1入口的液壓油也傳遞至PST電磁閥1．2和導(dǎo)向閥1．5（但該導(dǎo)向閥的狀態(tài)仍處于圖1所示狀態(tài)，因未得到來(lái)自ESD電磁閥1．3a和1．3b的激勵(lì)液壓）。

圖1 閥門初始狀態(tài)

SDV閥驅(qū)動(dòng)頭液壓缸9內(nèi)的液壓油（若有）將流經(jīng)導(dǎo)向閥1．5，因?qū)蜷y1．5處于圖1所示位置，此時(shí)SDV閥驅(qū)動(dòng)頭液壓缸的液壓油將繼續(xù)流經(jīng)針形閥1．7，經(jīng)接口H2返回液壓控制單元的油箱。所以此時(shí)的SDV閥處在全關(guān)位（即初始位置為全關(guān)位置），故回旋閥6的內(nèi)部油路也處在圖1所示位置。

1．2 收到開命令

接到24VDC開閥信號(hào)后，激活電磁閥1．4開閥線圈，使得來(lái)自供油接口H1的液壓順利通過(guò)電磁閥1．4開閥油路，并由液壓進(jìn)行自鎖以保持導(dǎo)通。之后，液壓油經(jīng)過(guò)已激活并導(dǎo)通的ESD電磁閥1．3a和1．3b，將液壓油送至導(dǎo)向閥1．5的液壓激勵(lì)機(jī)械動(dòng)作端。該液壓（即最小工作壓力150bar，15MPa）將使得導(dǎo)向閥1．5改變內(nèi)部油路通道，使導(dǎo)向閥內(nèi)部油路從針型閥1．7向針型閥1．6改變。

而PST電磁閥1．2初始狀態(tài)（未送電狀態(tài)）即為導(dǎo)通，至此，供油接口H1處液壓可以經(jīng)激活后的導(dǎo)向閥1．5向SDV閥驅(qū)動(dòng)頭液壓缸9提供液壓，使閥門進(jìn)行開閥動(dòng)作。

在開閥期間，因閥桿機(jī)械旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，閥桿凸輪機(jī)構(gòu)將逐漸推動(dòng)回旋閥6的機(jī)械觸頭。當(dāng)閥門完全開到位后，閥桿凸輪的最外沿使得回旋閥6的機(jī)械觸頭動(dòng)作（內(nèi)部油路發(fā)生改變）。此時(shí)供油接口H1中的液壓，經(jīng)緩沖罐1．9后的分支油路，向回旋閥6供壓。因回旋閥6被SDV閥的閥桿凸輪機(jī)構(gòu)觸發(fā)，并改變了內(nèi)部的油路，使得液壓通過(guò)回旋閥6，并作用到PST測(cè)試電磁閥1．2的激勵(lì)液壓端。

至此，整個(gè)開閥過(guò)程結(jié)束，并且已經(jīng)滿足PST（部分行程）測(cè)試條件，可以進(jìn)行PST測(cè)試、關(guān)閥或ESD操作。以下有2點(diǎn)需要補(bǔ)充說(shuō)明：（1）2個(gè)ESD電磁閥1．3a和1．3b必須至少激活一路，否則閥門無(wú)法開啟（基于SIL－2安全設(shè)計(jì)的考慮，閥全開到位后，只有2個(gè)ESD電磁閥同時(shí)失電／故障才會(huì)觸發(fā)閥門關(guān)斷動(dòng)作）。（2）PST電磁閥1．2激活動(dòng)作需2個(gè)必要條件：一個(gè)是激勵(lì)液壓激活，另一個(gè)是24VDC電源，缺一不可。

1．3 收到PST命令

通過(guò)上述分析，當(dāng)安全閥全開到位后，PST測(cè)試即可進(jìn)行。當(dāng)提供24VDC電源激活PST電磁閥1．2后，PST電磁閥1．2內(nèi)部油路發(fā)生改變，從而斷開了導(dǎo)向閥1．5、流量控制閥1．6與供油接口H1的聯(lián)接，而使得導(dǎo)向閥1．5、流量控制閥1．6與回油管路H2導(dǎo)通，該動(dòng)作使SDV閥驅(qū)動(dòng)頭液壓缸9內(nèi)壓力通過(guò)液壓?jiǎn)卧挠拖浣涌贖2回油瀉壓，即實(shí)現(xiàn)PST測(cè)試動(dòng)作的第一步——關(guān)閥動(dòng)作。而當(dāng)SDV閥驅(qū)動(dòng)頭上限位開關(guān)在閥門閉關(guān)至80%位置時(shí)，PST電磁閥1．2失電，該電磁閥內(nèi)部管路再次恢復(fù)到供油狀態(tài)，閥門再次開啟至全開位。該功能可以對(duì)閥門的扭矩、控制指令接收情況等做定期檢查和維護(hù)。

對(duì)于長(zhǎng)期不出現(xiàn)緊急狀況，又無(wú)法檢測(cè)設(shè)備是否正常工作的SDV閥門，配置該功能就顯得十分重要。該功能可以定期檢查閥門工作情況，通過(guò)定期檢修和維護(hù)，用戶可以提前發(fā)現(xiàn)和解決SDV閥的故障，可以使得SDV閥在關(guān)鍵時(shí)刻正常發(fā)揮其至關(guān)重要的角色。

圖2 SDV閥驅(qū)動(dòng)頭的完整控制電路

1．4 收到關(guān)命令

SDV閥在任何位置接收到關(guān)閥命令（24 VDC）后，電磁閥1．4關(guān)閥線圈得電動(dòng)作，此時(shí)電磁閥內(nèi)部路徑切換至回油管路H2。電磁閥1．4的自鎖液壓、ESD電磁閥1．3a和1．3b管路液壓將從電磁閥1．4關(guān)閥油路泄放液壓至接口H2，該動(dòng)作使得導(dǎo)向閥1．5的機(jī)械激勵(lì)液壓下降并丟失。因?qū)蜷y1．5的激勵(lì)液壓下降，致使導(dǎo)向閥1．5內(nèi)部路徑從供壓管路H1切換至回油管路H2，從而觸發(fā)SDV閥驅(qū)動(dòng)頭液壓缸9內(nèi)液壓泄放。

該SDV閥的關(guān)閥動(dòng)作采用彈簧機(jī)構(gòu)為動(dòng)力，當(dāng)閥門驅(qū)動(dòng)頭液壓缸內(nèi)液壓下降時(shí)，彈簧機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，直至SDV閥全關(guān)到位。

1．5 收到ESD命令

在安全閥全開到位或開啟過(guò)程中的任意位置，若收到ESD關(guān)閥命令（即24VDC失電），則ESD電磁閥1．3a和1．3b將立即切換內(nèi)部油路至初始狀態(tài)（如圖1所示）。這將使得導(dǎo)向閥1．5的激勵(lì)液壓經(jīng)ESD電磁閥1．3b、1．3a通過(guò)與單向閥1．8連接的回油管路返回至H2接口。因?qū)蜷y1．5的激勵(lì)液壓丟失，致使導(dǎo)向閥1．5切換內(nèi)部油路至初始狀態(tài)（如圖1所示），從而將SDV閥驅(qū)動(dòng)頭9的液壓缸內(nèi)液壓經(jīng)導(dǎo)向閥1．5和針型閥1．7泄放至H2接口，以實(shí)現(xiàn)SDV閥關(guān)閥動(dòng)作，直至全關(guān)到位。

該SDV閥的ESD電磁閥有失電自鎖功能，當(dāng)ESD電磁閥重新得電后需要通過(guò)手動(dòng)復(fù)位方能正常工作。即ESD電磁閥的24VDC電源恢復(fù)后，不會(huì)立即改變ESD電磁閥1．3a和1．3b的內(nèi)部油路，必須再通過(guò)手動(dòng)復(fù)位方可改變內(nèi)部油路狀態(tài)。這個(gè)功能的目的，是為了杜絕因未得到現(xiàn)場(chǎng)操作人員確認(rèn)設(shè)備，或工藝安全的情況下，自動(dòng)打開閥門而造成誤動(dòng)作。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)工藝和設(shè)備狀態(tài)的檢查，以及自動(dòng)化系統(tǒng)控制人員對(duì)ESD命令取消的雙重確認(rèn)，可有效避免單方面誤操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，這一點(diǎn)在Shell DEP．標(biāo)準(zhǔn)31．36．10．30中也有明確的規(guī)定。

2 SDV閥驅(qū)動(dòng)頭控制電路工作原理

圖2顯示的是SDV閥驅(qū)動(dòng)頭的完整控制電路。由于篇幅有限，這里只解釋PST測(cè)試回路，這有助于了解上述油路部分講到的內(nèi)容。分析本電路圖的前提是：閥門控制處于就地狀態(tài)，僅考慮PST測(cè)試回路。⊕、Θ分別為直流電24V的正、負(fù)極，編號(hào)相同接線端子為關(guān)聯(lián)聯(lián)接?！癛ELAY”以下簡(jiǎn)稱繼電器，編號(hào)不變。

首先，根據(jù)電路布置顯示，總接線排1號(hào)端子（正）首先聯(lián)接至閥門80%限位開關(guān)（云圖包圍部分），因限位開關(guān)取的是常閉（NC）觸點(diǎn)，所以來(lái)自總接線排1號(hào)端子的電源（正），通過(guò)80%限位開關(guān)的常閉觸點(diǎn)，被引至總接線排9號(hào)端子。9號(hào)端子有“A”、“B”兩路輸出。

此時(shí)，總接線排9號(hào)端子的電源由“A”電路經(jīng)3#繼電器的22號(hào)腳導(dǎo)通至21號(hào)腳，并將電源輸送至總接線排的11號(hào)端子。就地PST測(cè)試按鈕的14號(hào)腳從總接線排的11號(hào)端子取電，并在按鈕按下時(shí)，經(jīng)測(cè)試按鈕的13號(hào)腳送出電源（正）至總接線排12號(hào)端子。其主要目的是：用總接線排并聯(lián)的12號(hào)端子通過(guò)“P1”電路激活4#繼電器，使其內(nèi)部電路通斷狀態(tài)發(fā)生改變。

同時(shí)，總接線排9號(hào)端子的電源經(jīng)“B”電路，將其中一路電源輸送至4#繼電器的24號(hào)腳和11號(hào)腳。當(dāng)按下PST測(cè)試按鈕時(shí)，4#繼電器動(dòng)作，“B1”電源（正）從4#繼電器的24號(hào)、21號(hào)腳通過(guò)P2電路返回至總接線排12號(hào)端子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的自鎖功能。與此同時(shí)，另一路“B2”電源（正）被輸送至4#繼電器的11號(hào)腳，并在繼電器動(dòng)作后，實(shí)現(xiàn)11號(hào)與14號(hào)腳導(dǎo)通，進(jìn)而由總接線排13號(hào)端子給PST電磁閥1．2提供24VDC電源（正），以實(shí)現(xiàn)PST電磁閥1．2動(dòng)作。

最后，當(dāng)閥門關(guān)閉約20%時(shí)，SDV閥的80%限位開關(guān)被激活，使得限位開關(guān)內(nèi)常閉（NC）觸點(diǎn)斷開。此時(shí)將導(dǎo)致總接線排9號(hào)端子失電（“A”、“B”電路失電）、4#繼電器解除自鎖，這將使得PST電磁閥1．2失電。結(jié)合上述油路工作原理的分析，SDV閥的PST電磁閥1．2將重新恢復(fù)如圖1所示狀態(tài)。至此，閥門PST測(cè)試結(jié)束。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，讀者可以清楚地了解到此類SDV閥門的基本工作原理。由于篇幅有限，還有很多細(xì)節(jié)無(wú)法逐一展開，但該閥的核心控制原理已基本概述到位。相信通過(guò)本文的分析，可以使從事SDV閥調(diào)試、維護(hù)的工程師們有一個(gè)準(zhǔn)確的參考依據(jù)，也可據(jù)此原理分析、診斷出此類閥門的故障原因，從而制定出有效可行的調(diào)試維護(hù)方案。